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Apostila Eletrotécnica I

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FUNDAMENTOS DE ELETROTÉCNICA 1. CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA

Matéria é tudo aquilo que possui massa e ocupa lugar no espaço. A matéria é constituída de moléculas que por sua vez, são formadas de átomos. O

átomo é constituído de um núcleo e eletrosfera, onde encontramos os: Elétrons Prótons Neutros

FIGURA 1: Estrutura do átomo.

Portanto, o átomo é formado por:

Elétron: é a menor partícula encontrada na natureza, com carga negativa. Os elétrons estão sempre em movimento em suas órbitas ao redor do núcleo. Próton: é a partícula encontrada na natureza com carga positiva. Situa-se no núcleo do átomo. Nêutron: são partículas eletricamente neutras, ficando situadas no núcleo do átomo, juntamente com os prótons.

Eletricidade é o fluxo de elétrons de átomo para átomo em um condutor.

TURMA: 01

CURSO TÉCNICO EM ELETROMENÂNICA

PROFESSOR:

Eduardo Gabriel Ramos de Oliveira

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FIGURA 2: Toda matéria é constituída de átomos.

Para entendê-la, deve-se pensar na menor parte da matéria, o átomo (figura 2). Todos os átomos têm partículas chamadas elétrons, que descrevem uma órbita ao redor de um núcleo com prótons. O elemento mais simples é o hidrogênio. Como podemos ver na figura 2 (a), seu átomo tem um único elétron em órbita ao redor do núcleo, com um próton. Um dos mais complexos elementos é o urânio, que tem 92 elétrons em órbita ao redor de um núcleo com 92 prótons. Cada elemento tem sua própria estrutura atômica, porém cada átomo de um mesmo elemento tem igual número de prótons e elétrons.

FIGURA 3: Estrutura do átomo de cobre. O elemento cobre é muito empregado em sistemas elétricos, porque é um bom

condutor de eletricidade. Essa conclusão pode ser facilmente verificada observando-se a

figura 3. O átomo de cobre contém 29 prótons e 29 elétrons. Os elétrons estão

distribuídos em quatro camadas ou anéis.

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Deve-se notar. Porém, que existe apenas um elétron na última camada (anel

exterior). Esse é o segredo de um bom condutor de eletricidade.

Elementos cujos átomos têm menos de quatro elétrons em seus respectivos anéis

exteriores são geralmente denominadas “bons condutores”.

Elementos cujos átomos têm mais de quatro elétrons em seus respectivos anis

exteriores são maus condutores. São, por isso, chamados de isolantes.

Poucos elétrons no anel exterior de condutores são mais facilmente desalojados de

suas órbitas por uma baixa tensão, para criar um fluxo de corrente de átomo para

átomo.

Em síntese:

Átomo tem elétrons em órbitas ao redor de um núcleo com prótons;

Cada átomo contém igual número de elétrons e prótons;

Os elétrons ocupam camadas ou anéis, nos quais orbitam em volta do

núcleo;

Átomos que possuem menos de quatro elétrons no seu anel exterior são

bons condutores de eletricidade.

Já se determinou que os átomos possuem partículas chamadas prótons e elétrons.

Essas partículas têm determinadas cargas:

Prótons: cargas positivas (+)

Nêutrons: cargas negativas (-)

Os prótons, no núcleo, atraem os elétrons, mantendo-os em órbita.

Desde que a carga positiva dos prótons seja igual à carga negativa dos elétrons,

o átomo é eletricamente neutro. Entretanto, essa igualdade de cargas pode ser

alterada; se elétrons são retirados do átomo, este se torna carregado positivamente

(+).

Assim sendo:

Átomos carregados negativamente – maior número de elétrons;

Átomos carregados positivamente – menor número de elétrons.

Quando um bastão é friccionado em um pedaço de lã, elétrons são removidos da

lã e distribuídos pelo bastão. A lã agora está carregada positivamente e o bastão

negativamente.

Aproximando-se o bastão de uma bola suspensa e eletricamente isolada, está

recebe uma parte de carga negativa do bastão. Se retirarmos este bastão e tentarmos

ligá-lo novamente a bola, esta se afastará (haverá repulsão). Isto ocorre porque cargas

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de mesmo sinal se repelem. Se ambas as cargas fossem positivas ocorreria o mesmo

fenômeno.

Figura 4: Cargas de mesmo sinal se repelem. O que ocorreria se um bastão carregado negativamente fosse aproximado de uma

bola carregada positivamente? Pela figura 5, nota-se que a bola se movimentaria em

direção do bastão, sendo atraída por ele (da mesma forma, um bastão carregado

positivamente atrairia uma bola carregada negativamente). Então, fica claro que: cargas

de sinais contrários se atraem.

Figura 5: Cargas de sinal contrário se atraem.

Em resumo:

Elétrons podem ser levados a abandonar seus átomos em muitos materiais;

Uma carga elétrica advinda, por exemplo, de fricção é necessária para causar a

fuga dos elétrons de seus respectivos átomos;

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Cargas de mesmo sinal se repelem e cargas de sinal contrário se atraem.

O que aconteceria, por exemplo se um pedaço de fio de cobre fosse submetido a

uma carga positiva em um extremo e a uma carga negativa no outro?

O fio de cobre contém bilhões de átomos com eletros. Um desses elétrons próximo

ao pólo positivo seria atraído por essa carga e abandonaria seu átomo. Esse átomo se

tornaria carregado positivamente e atrairia um elétron do próximo, que se carregaria

positivamente e assim por toda a extensão do condutor.

O resultado integrado é uma movimentação (fluxo) de elétrons através do

condutor entre o pólo negativo (-) e o pólo positivo (+).

2. CORRENTE ELÉTRICA

Num átomo existem várias órbitas.

FIGURA 6: Órbitas de um átomo.

Os elétrons mais próximos do núcleo têm maior dificuldade de se desprenderem

de suas órbitas, devido à atração exercida pelo núcleo. Assim os chamamos de elétrons

presos.

Os elétrons mais distantes do núcleo (última camada) têm maior facilidade de se

desprenderem de suas órbitas porque a atração exercida pelo núcleo é pequena, assim

recebem o nome de elétrons livres.

Portanto, os elétrons livres se deslocam de um átomo para outro de forma

desordenada, nos materiais condutores. Considerando-se que nos terminais do material

abaixo temos de um lado o pólo positivo e do outro o pólo negativo, o movimento dos

elétrons toma um determinado sentido, da seguinte maneira:

Os elétrons (-) são atraídos pelo pólo positivo e repelidos pelo negativo. Assim, os

elétrons livres passam a ter um movimento ordenado (todos para a mesma direção).

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(a)

(b)

FIGURA 7: Movimento ordenado de elétrons.

A este movimento ordenado de elétrons damos o nome de corrente elétrica.

Esse fluxo de corrente de elétrons continuará, enquanto as cargas positivas e negativas

forem mantidas nos extremos do fio (carga de sinal contrário atraindo-se).

Isso é o fenômeno da eletricidade atuando, de onde se conclui que: eletricidade é

o fluxo de elétrons de átomo para átomo em um condutor (figura 8).

Figura 8: Fluxo de elétrons em um condutor.

2.1 Unidade de corrente elétrica A unidade de corrente elétrica é o AMPERÈRE (A). Para corrente inferiores

utilizaremos o miliampère, e para corrente superiores utilizaremos o kiloampère.

Entende-se por intensidade de corrente elétrica a quantidade de elétrons que

fluem através de um condutor durante um certo intervalo de tempo.

Entretanto para que haja este movimento é necessário que alguma força, ou

pressão, apareça nos terminais deste condutor, que veremos a seguir com a descrição

de tensão elétrica.

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2.2 Múltiplos e submúltiplos

Exemplo: I = 2mA = 0,002A

I = 6kA = 6000A

3. TENSÃO ELÉTRICA

É a força, ou pressão elétrica, capaz de movimentar elétrons ordenadamente num

condutor.

Vamos fazer uma analogia com a instalação hidráulica mostrada na figura 9. O

reservatório A está mais cheio que o reservatório B, portanto o reservatório A “empurra”

a água para B, até que se igualem as pressões hidráulicas.

FIGURA 9: Pressão hidráulica.

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Supondo dois corpos A e B, que possuem cargas elétricas diferentes. O corpo A

tem maior número de elétrons do que o corpo B; então dizemos que ele tem maior

“potencial elétrico”. Há uma maior diferença de potencia elétrico (d.d.p.).

Ligando-se os corpos A e B com um condutor, o “potencial elétrico” de A empurra

os elétrons para B, até que se igualem os potenciais.

Comparando-se os dois casos, podemos dizer que o potencial elétrico é uma

“pressão elétrica” que existe nos corpos eletrizados.

Então, podemos dizer que: tensão elétrica é a pressão exercida sobre os elétrons

para que estes se movimentem. O movimento dos elétrons através de um condutor é o

que chamamos de corrente elétrica.

Para que haja corrente elétrica é necessário que haja uma diferença de potencial

entre os pontos ligados. Os elétrons são “empurrados” do potencial negativo para o

potencial positivo.

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O mesmo efeito ocorre com a eletricidade. Uma carga elétrica tende a passar do

ponto de potencial maior para outro de potencial menor. O movimento de elétrons pelo

fio condutor irá igualar os potenciais, cessando-se em seguida. Porém, pretendendo-se

manter a corrente elétrica, deve-se manter a diferença potencial nos terminais do

condutor. Estes terminais denominam-se pólos e convenciona-se chamar positivo o de

maior potencial e negativo o outro.

É usual tomar como referência de potencial elétrico a terra, a qual se atribui o

valor zero. Assim, ao afirmar que o potencial elétrico é positivo ou negativo, diz-se que

seu potencial é maior ou menor em relação ao da terra.

Os símbolos utilizados para representação da tensão são as letras U e V. O V é

também utilizado como unidade de medida padrão.

3.1 FONTES DE TENSÃO CONTÍNUA A fonte mais utilizada para fornecimento de tensão contínua é a bateria e os

retificadores.

3.2 Múltiplos e submúltiplos

4. RESISTÊNCIA ELÉTRICA É a oposição que um material oferece à passagem da corrente elétrica.

De modo geral, os diversos materiais variam em termos de “comportamento

elétrico”, de acordo com sua estrutura atômica. Como sabemos, uns apresentam-se

como condutores e outros como isolantes.

Os materiais isolantes são os de maior resistência elétrica, ou seja: os que mais se

opõem à passagem da corrente elétrica. Os materiais condutores, apesar de sua boa

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condutividade elétrica, também oferecem resistência à passagem da corrente, embora

m escala bem menor.

O símbolo utilizado para sua representação é a letra grega ômega (Ω).

4.1 Múltiplos e submúltiplos

5 - LEIS DE OHM

Um cientista chamado George Simon Ohm, através de diversas experiências,

conseguiu relacionar entre si as seguintes grandezas em um mesmo material: tensão -

corrente - resistência - dimensões.

Tensão;

Corrente;

Resistência;

Dimensões do material.

George Ohm ligou um pedaço de um determinado material em uma fonte de tensão

variável, como mostra a figura 10.

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Figura 10: Experiência de George Simon Ohm.

Para cada valor de tensão V, mediu-se a corrente I correspondente, como mostra

a seguinte tabela 1:

TENSÃO CORRENTE

V1 I1

V2 I2

V3 I3

V4 I4

VN IN

TABELA 1:

Ele notou que a razão entre as tensões e correntes resultavam num valor

constante:

teconsI

V

I

V

I

V

I

V

N

N

tan3

3

2

2

1

1

====

Em seguida, ele repetiu várias vezes esta experiência, mudando tanto o material

utilizado como suas dimensões, chegando aos seguintes resultados:

MATERIAIS DIMENSÕES RESULTADO

diferentes iguais constantes diferentes

iguais diferentes constantes diferentes

TABELA 2:

Dessa forma chegou-se a duas importantes conclusões: 1 - A constante resultante da relação tensão/corrente corresponde à resistência

elétrica (R) do material;

2 - A resistência elétrica depende tanto do material como de suas dimensões.

Essas conclusões deram origem às 1ª e 2ª leis de Ohm. 5.1 – Primeira Lei de Ohm

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A corrente elétrica I que passa por um material é diretamente proporcional à

tensão V nele aplicado, e esta constante de proporcionalidade chama-se resistência

elétrica R:

V = R.I

Da Primeira Lei de Ohm, tem-se que:

R = I

V

Portanto, a unidade de medida de resistência elétrica é Volt/Ampère ou,

simplesmente, Ohm (ΩΩΩΩ ), em homenagem a este cientista.

Graficamente, a Primeira Lei de Ohm fica assim representada:

Gráfico 1: Representação Gráfica da Primeira Lei de Ohm.

Pelo gráfico, pode-se observar que se trata de uma relação linear entre tensão e

corrente, já que a resistência elétrica é uma constante.

Desta propriedade, surgiu um novo dispositivo muito importante para a eletricidade

e eletrônica: o resistor, cujos símbolos elétricos mais utilizados estão representados na

Figura 11.

Figura 11: Símbolos de resistores.

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Então, com a resistência elétrica, é possível controlar a intensidade da corrente

elétrica fornecida por uma fonte de alimentação, isto é, quanto maior a resistência,

menor a corrente, e vice-versa.

Em resumo, a Primeira Lei de Ohm pode ser escrita matematicamente das três

formas a seguir:

V = R. I I = R

V R =

I

V

EXEMPLO:

a) Numa resistência elétrica, aplica-se uma tensão de 90V. Qual o seu valor,

sabendo-se que a corrente que passa por ela é de 30mA?

R = ⇒I

VR = ⇒

3-10 x 30

90R = 3 kΩ

b) Por uma resistência de l,5 MΩ, passa uma corrente de 350 nA. Qual o valor da

tensão aplicada?

V = R . I ⇒V = 1,5 x 106 x 350-9 ⇒V = 525 mV

c) Conectando-se uma pilha de 1,5V em uma lâmpada, cuja resistência de

filamento é de 100 Ω, qual a corrente que percorre o circuito?

I = ⇒R

VI = ⇒

100

5,1I = 15mA

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5.2 – Segunda Lei de Ohm

A resistência elétrica R de um material é diretamente proporcional ao produto de

sua resistividade elétrica ρ pelo seu comprimento L, e inversamente proporcional à

área A de sua seção transversal.

A

LR

.ρ=

CARACTERÍSTICAS DOS PRINCIPAIS CONDUTORES

MATERIAL RESITIVIDADE ( ρ )

Alumínio 0,0292

Bronze 0,067

Cobre 0,0162

Ouro O,024

Prata 0,00158

Latão 0,067

6. POTÊNCIA ELÉTRICA

Quando ligamos um aparelho a uma fonte de eletricidade, produz-se uma certa

quantidade de “trabalho”, às custas da energia elétrica que se transforma. Por exemplo:

O motor de um ventilador transforma a energia elétrica em energia mecânica,

provocando um giro na hélice e consequentemente circulação forçada do ar.

O aquecimento de ferro de passar roupa se processa porque na resistência do

mesmo se verifica uma transformação de energia elétrica em energia térmica

(calor).

Ainda como exemplo, temos a lâmpada que, através de um filamento interno,

transforma a energia elétrica em energia luminosa.

Potência elétrica ou mecânica é a rapidez com se faz trabalho.

Podemos considerar, para facilitar o entendimento, como capacidade de produzir

trabalho que uma carga possui.

A potência da carga depende de outras grandezas, que são: R (resistência) e V

(tensão aplicada). Uma vez aplicada uma tensão à resistência teremos a corrente I.

Assim, podemos dizer que a potência depende da corrente.

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Então, temos que:

2.IRP = ou IVP .=

6.1 Múltiplos e submúltiplos

6.2 Efeito JOULE

A Lei de Joule estuda a transformação de energia elétrica em calor.Sempre que

uma corrente elétrica passa por um condutor, haverá produção de calor, pois os

condutores se aquecem sempre.

Se a corrente é bastante intensa, e o condutor oferece resistência à sua

passagem, os efeitos são consideráveis.

O inventor da unidade Joule foi o físico inglês Giácomo Presscotti Joule, que

nasceu em 1818 e morreu em 1889.

A potência elétrica absorvida por um motor transforma-se em sua grande parte

em potência mecânica. Porém, uma pequena parte se transforma em calor. Por esta

razão todas as máquinas elétricas se aquecem quando funcionam.

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7. ENERGIA ELÉTRICA

É a energia “consumida”. Podemos ainda dizer que ela representa o trabalho

realizado por um aparelho elétrico. Na verdade, a energia está presente na natureza de

várias formas e o que fazemos e transformá-la para a produção de trabalho.

Na natureza nada se perde, tudo se transforma.

Veja alguns exemplos de formas de energia que encontramos na natureza:

Sola;

Luminosa;

Hidráulica;

Mecânica;

Eólica.

7.1 Exemplo de transformação de energia

Uma quantidade de água armazenada numa represa possui energia hidráulica em

potencial, que pode ser transformada em energia mecânica, fazendo girar o gerador,

estará transformando energia mecânica em energia elétrica. A energia elétrica por sua

vez, é levada aos consumidores, onde por sua vez, é transformada nas mais variadas

formas de energia: térmica, mecânica, luminosa, etc.

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A energia elétrica depende da potência elétrica da carga (P) e do tempo (t) em

que a mesma ficou ligada.

E(Wh) = P(W) x t(h)

E(kWh) = P(W) x t (h)

BIBLIOGRAFIA

ALBUQUERQUE, Rômulo Oliveira. Análise de Circuitos em Corrente Contínua. São Paulo.

Ed. Érica. 1987.

RAMALHO, F; FERRARO, N; SOARES, P. Os Fundamentos da Física. São Paulo. Ed.

Moderna. 1999.

SENAI. CPM – Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção – Elétrica. Espírito

Santo. 1996.

CNPNSP – Eletricidade Básica. Rio de Janeiro. 2004.